CN104166883A - 基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其包括以下步骤：步骤1、建立增容总量ΔY关于负荷通道内各条线路输送容量的可用裕度方程；步骤2、为负荷通道内各条线路确定考虑通流设备的增容系数上限、气象风险的增容系数上限以及系统异常风险的增容系数上限；步骤3、建立所述可用裕度方程的最小二乘解优化模型；步骤4、考虑各条线路增容负荷率的平衡，设定各条线路增容系数初值，步骤5、得到各条线路实际的增容系数。本发明基于负荷通道内输变电设备状态监测参数，兼顾输变电设备容量限额和设备健康状态及运行风险，兼顾当前时刻评估和预期风险预测，使得电网动态增容评估及决策更加精准、合理，风险更小。

Description

基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于输变电设备状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法，尤其是一种基于负荷通道内输变电设备状态监测参数、兼顾输变电设备容量限额和设备健康状态及运行风险、兼顾当前时刻评估和预期风险预测的电网动态增容决策方法，属于电力系统运行分析与决策技术领域。

背景技术

随着国民经济的发展，部分地区供电能力的发展与实际需求的增长之间的矛盾日渐显现。为积极应对这一局面，电网系统内已广泛应用了提高运行温度、短时动态增容、新型耐热线路等多项技术，极大地提高了线路的输电能力。其中，动态增容技术在不改造输电线路及变电设备的条件下，通过挖掘现有输变电设备的潜力，达到输电通道容量提升的效果，具有良好的技术经济性，受到电网公司的广泛关注和高度重视。

然后在现有电网动态增容评估及决策过程中，调度人员能够粗略估算输电通道可用容量的限额，但是对于动态增容涉及设备的健康状态及运行风险几乎无从知晓，给调度决策带来很大的不确定性风险。随着输变电设备状态监测手段，尤其是在线监测水平的不断提升，根据可获取的输变电设备状态监测参数，不仅可以使输电通道可用容量限额的估算更加精准，而且可以更准确地获知相关输变电设备的健康状态及运行风险，使得电网动态增容评估及决策更加精准、合理，风险更小。

因此针对上诉目前技术的缺点，本发明是在国家863计划项目基金(2012AA050209)资助下，提出了一种基于状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于输变电设备状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法。该方法基于负荷通道内输变电设备状态监测参数，兼顾输变电设备容量限额和设备健康状态及运行风险，兼顾当前时刻评估和预期风险预测，使得电网动态增容评估及决策更加精准、合理，风险更小。

一种基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其包括以下步骤：

步骤1、建立增容总量ΔY关于负荷通道内各条线路输送容量的可用裕度方程：

$\mathrm{\ΔY}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i\mathrm{\Δ}{X}_{i\max }=k_1\mathrm{\Δ}{X}_{1\max }+k_2\mathrm{\Δ}{X}_{2\max }+...+k_N\mathrm{\Δ}{X}_{N\max }---\left(1\right)$

其中，k_i为第i条线路实际的增容系数，0≤k_i≤1，ΔX_imax为第i条线路最大增容限额，i＝1，2，……，N；

步骤2、对设备健康风险、环境气象风险以及系统异常风险进行评估，为负荷通道内各条线路确定考虑通流设备的增容系数上限、气象风险的增容系数上限以及系统异常风险的增容系数上限；

步骤3、建立步骤1确立的可用裕度方程的最小二乘解优化模型，包括目标函数z以及约束条件的建立，其中，所述目标函数z为：

$\min z={(\mathrm{\ΔY}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i\mathrm{\Δ}{X}_{i\max })}^2---\left(2\right)$

所述约束条件为

k_i≤a_i且k_i≤b_i且k_i≤c_i   (3)

其中，a_i为第i条线路确定考虑通流设备的增容系数上限；b_i为第i条线路确定考虑气象风险的增容系数上限，c_i为第i条线路确定考虑系统异常风险的增容系数上限；

步骤4、考虑各条线路增容负荷率的平衡：

$\mathrm{\ΔY}\·\frac{\mathrm{\Δ}{X}_{i\max }}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{X}_{i\max }}=k_{i0}\·\mathrm{\Δ}{X}_{i\max }---\left(4\right)$

设定各条线路增容系数初值：

$k_{i0}=\frac{\mathrm{\ΔY}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{X}_{i\max }}---\left(5\right)$

其中，k_i0为第i条线路增容系数初值；

步骤5、根据步骤4的初值以及步骤3中约束条件对目标函数进行求解，以得到各条线路实际增容的系数。

所述步骤2中对设备健康风险进行评估依据的参数包括：

最近一次及一年以内因负荷开展的特巡记录；

设备开展的专业巡视记录；

近5～10年预防性试验记录；

最近一年红外测温记录，并提供红外测温记录对应的负荷数据；

以及设备相关的带电检测和在线监测数据。

所述对设备健康风险进行评估的方法为打分制和加权综合法。

根据所述打分制和加权综合法，对设备健康风险进行建模，获取通流设备的增容系数上限：

当A_i<m时，a_i＝0；当m≤A_i<n时，当n≤A_i时，a_i＝1；

其中，A_i为第i条线路设备健康风险环节得分，m为设备健康风险红灯的分数阈值，n为设备健康风险绿灯的分数阈值，当A_i<m时，设备健康风险环节亮红灯，当n≤A_i时，设备健康风险环节亮绿灯；当m≤A_i<n时，设备健康风险环节亮黄灯。

所述设备健康风险为负荷通道动态增容所涉及设备的健康风险。

所述步骤2中对环境气象风险进行评估依据的参数包括输电线路杆塔上安装的微气象、风偏/振动/舞动、污秽、覆冰、杆塔倾斜、图像/视频在线监测装置获取的监测数据以及外部气象预报信息。

对环境气象风险进行建模，获取气象风险的增容系数上限：

当环境气象风险环节亮红灯时，b_i＝0；当环境气象风险环节亮黄灯时，b_i＝0.75；当环境气象风险环节亮绿灯时，b_i＝1。

所述步骤2中对系统异常风险评估进行评估为考察系统发生短路电流故障时，设备的承受能力。

对系统异常风险进行建模，获取系统异常风险的增容系数上限：

当系统异常风险环节亮红灯时，设备不可承受，c_i＝0；当系统异常风险环节亮绿灯时，设备可承受，c_i＝1。

所述步骤5中求解目标函数的方法为序列二次规划法。

序列二次规划法(Sequential Quadratic Programming，简称SQP)是当前公认的处理中、小规模非线性规划问题最优秀的算法之一，该算法通过将原问题转化为一系列二次规划子问题的求解来获得原问题的最优解，对拉格朗日函数取二次近似，从而提高二次规划子问题的近似程度，对非线性较强的优化问题也能进行计算。SQP方法的基本思想如下：在某个近似解处将原非线性规划问题简化为处理一个二次规划问题，求取最优解，如果有，则认为是原非线性规划问题的最优解，否则，用近似解代替构成一个新的二次规划问题，继续迭代。其具体方法为：

对于包含等式和不等式约束的一般性非线性规划问题，其表达式为：

minJ(x)

s.t.g_i(x)＝0  i＝1,2,…,me   (6)

g_i(x)≥0  i＝m_e+1,m_e+2,…,m

经过推导可发现与二次规划问题(式7)等价。二次规划问题的表达式为：

$\min \frac{1}{2}{d}^T{B}^{k}d+\&dtri;J{\left(x^k\right)}^{T}d$

$s.t.\&dtri;g_i{\left(x^k\right)}^{T}d+g_i\left(x^k\right)=0,i=\mathrm{1,2},...,m_e---\left(7\right)$

$\&dtri;g_i{\left(x^k\right)}^{T}d+g_i\left(x^k\right)\&GreaterEqual;0,i=m_e+1,m_e+2,...,m$

式(7)中，B^k为近似海森矩阵；d＝x-x^k，即寻优方向；m_e为等式约束的个数，m为约束总数。

式(7)中为标准的二次规划问题，因此可以使用对偶法等方法来求解以得到寻优方向d^k，再经过一维搜索得到步长t^k，于是x可以修正为：

x^k+1＝x^k+t^kd^k   (8)

在每次迭代中都以近似原问题的二次规划问题(式7)来求解非线性规划问题(式6)，因此又被称为逐步二次规划法。

本发明在单个输电设备、变电设备的状态监测数据和初步状态评估结果(如输电线路的温度、风偏、弧垂等)的基础上，从电网安全效益和经济效益出发，提出电网负荷通道动态增容评估决策方法。具体包括以下主要环节：

(1)输电线路环境状态及设备状态监测分析与评估：基于通道环境、雷电、覆冰、导线状态参数等监测信息，提供电网负荷通道中输电线路所处环境状态和设备状态的综合评估和潜在风险等级等分析结果。

(2)线路两端站内变电设备健康状态分析评估：基于线路两端站内变电设备的状态监测信息，提供电网负荷通道中关键变电设备状态(如设备健康状态指数等)的综合评估和潜在风险等级等分析结果。

(3)负荷通道动态增容潜力分析：基于输电线路及两端站内变电设备的状态监测信息，提供电网负荷通道中输电线路的可用裕度等分析结果信息。

(4)负荷通道的动态增容决策：基于负荷通道输送容量的可用裕度，输变电设备的环境风险等级和健康状态指数等评估结果，进行负荷通道动态增容的调度决策。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在充分考虑各条线路增容负荷率的平衡的前提下，基于负荷通道内输变电设备状态监测参数，兼顾输变电设备容量限额和设备健康状态及运行风险以及当前时刻评估和预期风险预测，使得电网动态增容评估及决策更加精准、合理，风险更小。

附图说明

图1是基于输变电设备状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法示意图；

图2是负荷通道风险指数评估方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

如图1所示，对于大电网负荷通道动态增容调度决策，实施方案要点在于：

(1)"点"、"线"结合，由"点"及"线"，兼顾输送容量与风险评估等指标。“点”指对负荷通道上每个关键设备进行分析评估，分别给出每个设备的输送容量限额、设备状态健康/风险指数等评估指标。“线”指基于负荷通道上所有关键设备的评估数据，进行综合分析处理，给出整个负荷通道的评估指标，其中负荷通道整体的输送容量限额取所有关键设备的最小限值。

(2)“当前时刻动态评估”与“发展趋势风险预测”结合。“当前时刻动态评估”是基于当前时刻的设备状态监测参量、负载率、环境气象条件等因素进行分析评估。“发展趋势风险预测”是考虑负荷通道状态综合评估时限范围内，环境气象条件变化、系统发生异常等因素导致的潜在风险。

其中，负荷通道输送容量限额评估以三大主要定容设备——输电线路、变压器和开关类设备为主，主要采用目前已经公开发表的各种以热传递、热平衡模型为核心的评估方法。对于输电线路，导线温度升高、弧垂变大是输电线路提高输送容量后的必然现象；当弧垂过大时，不能保证导线对地面的安全距离，大风时还可能造成短路事故。因此，通过导线温度、弧垂等参量的监测与计算分析，确定输电线路输送容量限额。

由于整条负荷通道的通流设备是串联的逻辑关系，故负荷通道的输送容量限额确定遵循“木桶原理”，即取负荷通道上所有通流设备，在保证各自稳定、安全运行的前提下，所允许输送容量限额的最低值。

风险指数评估旨在通过量化的方法，直观体现负荷通道各方面存在的风险，为相关决策提供支持。如图2所示，风险指数是结合设备健康风险评估环节、气象风险评估环节和系统异常风险评估环节等各关键风险评估环节后得到的结果。对于风险评估结果，通过红、黄、绿三色灯来进行标识：红色代表不可进行通道容量提升的风险很大；黄色代表风险一般，无必要情况建议暂缓增容工作；绿色代表风险较低可接受，设备健康水平不会制约增容工作。

设备健康风险评估主要针对负荷通道中与通流、保护相关的关键设备，采用各种可用的设备状态监测数据记录予以评估。设备健康风险评估依据的参数主要包括：

√最近一次及一年以内的因负荷等特殊原因开展的特巡记录

√设备开展的专业巡视记录

√近5～10年预防性试验记录

√最近一年的红外测温记录，并提供对应的负荷数据

√设备相关的带电检测、在线监测数据

评估方法依据各种已经公布的输变电设备状态评估的企业规范或标准执行，主要采用打分制和加权综合的方法。并通过红、黄、绿三色灯，结合通流设备综合得分，确定出设备风险环节的风险情况。

环境气象风险评估重点关注恶劣环境气象条件对负荷通道设备带来的风险，包括雷暴、台风、山火、覆冰等。环境气象风险评估依据的参数既包括输电线路杆塔上安装的微气象、风偏/振动/舞动、污秽、覆冰、杆塔倾斜、图像/视频等在线监测装置获取的监测数据；也包括外部气象预报信息。气象风险环节评估结果通过红、黄、绿三色灯来进行标识：对于外部气象预报，山火，高等级雷暴、台风、大雾预警，冻雨，等恶劣天气一票否决，亮红灯；非极端天气(如较低等级的风暴、雷暴等)但对输电通道容量提升有风险亮黄灯；而气候适宜增容工作的开展亮绿灯。

系统异常评估环节重点考察系统发生短路电流故障时，设备的承受能力。对于评估所需的系统预期三相短路电流，事前采用短路电流计算程序BPA，通过设置好DAT文件和SWI文件，计算出各种典型运行方式下的短路电流；在实际使用时，采用数据拟合的方式，获取当前情况下系统的短路电流数值。系统异常情况采用红绿两盏灯：红灯代表系统发生短路电流故障时，设备不可承受；绿灯则代表可以承受。

当任一环节出现红灯时，即禁止对负荷通道容量的提升，均为绿灯时则允许工作的继续进行，而出现黄灯时，则根据实际情况，由调度决策者进行判断。

对于发展趋势风险预测，核心是对负荷通道状态综合评估时限内负荷通道环境气象参数变化的预测。通过收集线路过去若干年内的典型天气，设置若干具有代表性的气候情景；结合在线监测设备获取的最近时间段内的环境气象参数变化规律，以及外部气象预报信息，对未来若干小时内环境气象的变化进行预测。在此基础上，通过前述各种评估决策方法，对未来若干小时负荷通道输送容量和设备状态风险指数进行预测性的计算分析。

根据导线温度、弧垂等参量的监测与计算分析，考虑线路上通流设备的串联关系，确定负荷通道内每条线路的输电线路在某一时刻的输送容量限额，再依据整个通道整体的增容目标，通过考虑多元风险的负荷通道动态增容调度方法模型，计算出整个负荷通道所有线路的增容限额分配调度方案，使整个负荷通道的经济性和安全性达到平衡。

对于考虑多元风险的负荷通道动态增容调度方法，具体的建模过程如下：

负荷通道内有N条线路，第i条线路的最大增容限额为ΔX_imax，定义第i条线路实际的增容系数为k_i，其中i＝1，2，……，N。因此，有通道增容总量ΔY满足下式：

$\mathrm{\&Delta;Y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }=k_1\mathrm{\&Delta;}{X}_{1\max }+k_2\mathrm{\&Delta;}{X}_{2\max }+...+k_N\mathrm{\&Delta;}{X}_{N\max }$

显然，k_i的取值应大于等于0且小于等于1，即k_i∈[0,1],i＝1,2,…,N。

对于负荷通道内第i条线路，定义考虑通流设备风险的增容系数上限为a_i，考虑气象风险的增容系数上限为b_i，考虑系统异常风险的增容系数上限为c_i。

因此，对于上式所示的方程转化为利用线性规划求解方程的最小二乘解的问题。该优化问题的模型如下式所示，其中，k_i,i＝1,2,…,N为约束中的决策变量。

$\min z={(\mathrm{\&Delta;Y}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max })}^2,i=\mathrm{1,2},...,N$

s.t.k₁≤a₁,k₁≤b₁,k₁≤c₁,

0≤k₁≤1,

k₂≤a₂,k₂≤b₂,k₂≤c₂

0≤k₂≤1,

.

.

.

k_N≤a_N,k_N≤b_N,k_N≤c_N

0≤k_N≤1

对于第i条线路，a、通流设备健康风险，b、气象风险，c、系统异常风险的设置具体约束的方法见下：

a、通流设备健康风险

设设备风险环节得分为A_i设备风险红灯的分数阈值为A_m，即低于m分设备风险环节亮红灯；设备风险绿灯的分数阈值为n，即高于n分设备风险环节亮绿灯；而高于m分但低于n分，设备风险环节亮黄灯。

因此，根据本发明所述的增容判据进行通流设备健康风险建模见下：

b、气象风险

根据本发明所述的增容判据进行气象风险建模见下：

灯色	约束设定
		红灯	bi＝0
黄灯	bi＝0.75

绿灯

bi＝1

c、系统异常风险

根据本发明所述的增容判据进行系统异常建模见下：

灯色	约束设定
		红灯	ci＝0
绿灯	ci＝1

对于本发明上述的约束问题，其初值的给出考虑到各条线路增容负荷率的平衡，应通过下式给出：

$\mathrm{\&Delta;Y}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }}=k_{i0}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }\&DoubleRightArrow;k_{i0}=\frac{\mathrm{\&Delta;Y}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }}$

即 $k_{10}=k_{20}=...=k_{N0}=\frac{\mathrm{\&Delta;Y}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{X}_{i\max }}$

对如上所述的方法描述，最后通过SQP方法计算给出的优化结果，即为基于输变电设备状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法的结果。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，其包括以下步骤： 

步骤1、建立增容总量ΔY关于负荷通道内各条线路输送容量的可用裕度方程： 

其中，k_i为第i条线路实际的增容系数，0≤k_i≤1，ΔX_imax为第i条线路最大增容限额，i＝1，2，……，N； 

步骤2、对设备健康风险、环境气象风险以及系统异常风险进行评估，为负荷通道内各条线路确定考虑通流设备的增容系数上限、气象风险的增容系数上限以及系统异常风险的增容系数上限； 

步骤3、建立步骤1确立的可用裕度方程的最小二乘解优化模型，包括目标函数z以及约束条件的建立，其中，所述目标函数z为： 

所述约束条件为： 

k_i≤a_i且k_i≤b_i且k_i≤c_i   (3) 

其中，a_i为第i条线路确定考虑通流设备的增容系数上限；b_i为第i条线路确定考虑气象风险的增容系数上限，c_i为第i条线路确定考虑系统异常风险的增容系数上限； 

步骤4、考虑各条线路增容负荷率的平衡： 

设定各条线路增容系数初值： 

其中，k_i0为第i条线路增容系数初值； 

步骤5、根据步骤4的初值以及步骤3中约束条件对目标函数进行求解，以 得到各条线路实际的增容系数。 

2.根据权利要求1所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述步骤2中对设备健康风险进行评估依据的参数包括： 

最近一次及一年以内因负荷开展的特巡记录； 

设备开展的专业巡视记录； 

近5～10年预防性试验记录； 

最近一年红外测温记录，并提供红外测温记录对应的负荷数据； 

以及设备相关的带电检测和在线监测数据。 

3.根据权利要求2所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述对设备健康风险进行评估的方法为打分制和加权综合法。 

4.根据权利要求3所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，根据所述打分制和加权综合法，对设备健康风险进行建模，获取通流设备的增容系数上限： 

当A_i<m时，a_i＝0；当m≤A_i<n时，当n≤A_i时，a_i＝1； 

其中，A_i为第i条线路设备健康风险环节得分，m为设备健康风险红灯的分数阈值，n为设备健康风险绿灯的分数阈值，当A_i<m时，设备健康风险环节亮红灯，当n≤A_i时，设备健康风险环节亮绿灯；当m≤A_i<n时，设备健康风险环节亮黄灯 。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述设备健康风险为负荷通道动态增容所涉及设备的健康风险。 

6.根据权利要求1所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述步骤2中对环境气象风险进行评估依据的参数包括输电线路杆塔上安装的微气象、风偏/振动/舞动、污秽、覆冰、杆塔倾斜、图像/视频在线监测装置获取的监测数据以及外部气象预报信息。 

7.根据权利要求6所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，对环境气象风险进行建模，获取气象风险的增容系数上限： 

当环境气象风险环节亮红灯时，b_i＝0；当环境气象风险环节亮黄灯时，b_i＝0.75；当环境气象风险环节亮绿灯时，b_i＝1。 

8.根据权利要求1所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述步骤2中对系统异常风险评估进行评估为考察系统发生短路电流故障时，设备的承受能力。 

9.根据权利要求8所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，对系统异常风险进行建模，获取系统异常风险的增容系数上限： 

当系统异常风险环节亮红灯时，设备不可承受，c_i＝0；当系统异常风险环节亮绿灯时，设备可承受，c_i＝1。 

10.根据权利要求1任一项所述的基于状态多维度综合评估的电网调度动态增容评估方法，其特征在于，所述步骤5中求解目标函数的方法为序列二次规划法。